CC BY
20Квантовохимические исследования механизмов взаимодействия диоксинов с клеточными фосфолипидами
Байгулова О.В. (BiygulovaOV@ic.bashedu.ru ), Насибуллин Р.С.
Башкирский государственный медицинский университет, г. Уфа
Аннотация. Методами квантовой химии установлено образование комплексов полихлорированных дибензо- п- диоксинов с клеточным фосфатидилэ-таноламином за счет взаимодействия п-системы электронов диоксиновых колец и этаноламинной группы фосфатидилэтаноламина. Исследовано влияние диоксинов на конформацию и электронное строение фосфолипидов клеточных мембран в условиях образования комплексов. Показано, что образование данных комплексов ведет к значительному изменению электронного строения фосфо-липидных молекул в области комплексообразования, однако их конформация сохраняется. Вместе с тем, отмечено изменение электронного строения и формы диоксиновых молекул.
Введение. Представленная работа посвящена исследованию воздействия полихлорированных дибензо- п- диоксинов (ПХДД) на фосфолипиды клеточных мембран. Актуальность изучения соединений диоксинового класса обусловлена тем, что проводимые в течение последних десятилетий интенсивные исследования диоксинов и родственных соединений, представляющих крайне опасные загрязнители окружающей среды [9, 10], не дали ясного понимания молекулярного механизма их действия, в том числе и характера их взаимодействия с биологическими системами. Имеющиеся многочисленные публикации [15, 16] показывают, что свое токсическое и биологическое действие диоксины осуществляют посредством взаимодействия с так называемым внутриклеточным цитозольным Ah-рецептором, однако структура и функции этого рецептора пока остаются не до конца выясненными. В то же время, в биологических процессах активно участвуют мембранные липиды. Биологическая активность веществ широкого спектра действия зависит от их способности взаимодействовать с биологическими объектами, и в первую очередь с клеточными фосфолипидами. Сведения об изменении конформационных и физических параметров фосфолипидов под действием биологически активных веществ дают возможность более глубокого понимания механизма их действия на молекулярном уровне.
Среди большого количества существующей литературы данные о влиянии диоксинов на конформационное состояние и электронное строение клеточных фосфолипидов нами не были обнаружены. Однако, учитывая сегодняшние масштабы повсеместного диоксинового загрязнения и вредные последствия их воздействия на организм [11], такая информация является крайне важной, поскольку поможет понять молекулярной механизм их действия и в дальнейшем разработать эффективные методы выведения из организма или снижения до минимума их токсического действия.
В проведенных ранее методами квантовой химии [4, 5, 6] и ядерного магнитного резонанса [3, 4, 5, 7, 8] исследованиях было показано, что при взаимодействии сопряженных молекул с молекулой фосфатидилхолина (ФХ) возникают комплексы, образующиеся за счет взаимодействия п-системы электронов этих молекул и холиновой группы фосфолипида. В данной работе приводятся результаты квантовохимических расчетов взаимодействия ПХДД с ФЭ.
Методы исследований. Для проведения квантовохимических расчетов нами использовался программный пакет HyperChem 5.01, реализующий метод молекулярной механики ММ+ [1] и полуэмпирический метод МКОО [13]. Расчетные программы получены из фондов ИХКиГ РАН (Новосибирск) и адаптированы под поставленную задачу и имеющиеся компьютерные ресурсы.
Методика проведения исследований. Исходные структуры молекул ФЭ и ПХДД выбирались из экспериментальных данных [2, 12] и в последующем оптимизировались сначала методом ММ+™, затем методом МКОО.
Для нахождения структур комплексов, соответствующих минимальному значению энергии, проводилось варьирование взаимного пространственного расположения молекул ПХДД и ФЭ относительно друг друга (рис.1) с одновременной оптимизацией геометрии.
§1 = С[5,1]-К[1,1]-СЯ1-СЯ2, §2 = С[5,2]-К[1,2]-СЯ2-СЯ1 Я1 = К[1,1]-СЯ1, Я2 = К[1,2]-СЯ2
начальные условия: §1 = §2 = 0°, ZC[5]-N[1]-CR = 180°, ^[1]-СК1(2ГСК2(1) = 90°
У2(1)
Рис. 1 Параметры, определяющие пространственное расположение молекул ПХДД и ФЭ относительно друг друга: СЯ1 и СЯ2 - центры 1-го и 11-го диоксиновых колец; ^1,1], С[5,1] - атомы N1, С5 ФЭ1, ^1,2], С[5,2] - атомы N1, С5 ФЭ2; §1 и §2- торсионные углы, определяющие положение молекул ФЭ1 и ФЭ2 относительно ПХДД
Рис. 2 Исследуемые молекулы ПХДД:
a) 2,3,7,8-ТХДД;
b) 1,2,3,7,8,9-ГХДД;
c) 2,3,7,9-ТХДД;
d) 2,3,7-ТриХДД;
e) схема нумерации позиций диоксинового скелета
Изменение углов §1, 82 задавалось в интервале от 0° до 360° с шагом в 30° или 10°. По результатам расчетов строились картины зависимости энергии образования указанных комплексов от значений углов 81 и §2, по которым затем определялись точки, соответствующие минимуму энергии.
Для проведения квантовохимических расчетов нами были выбраны 4 ди-оксиновые молекулы (рис. 2), для которых был установлен экспериментальный ряд их относительной биологической активности [14] (табл. 1: данные представлены в %).
Результаты и обсуждение. В результате проведения расчетов нами было установлено существование комплексов, возникающих за счет взаимодействия п-системы электронов диоксиновых колец и КИ3-группы ФЭ (рис.3). При этом мы обнаружили несколько разновидностей данных комплексов.
Рис. 3 Комплексы ПХДД с ФЭ: 1 - комплекс ПХДД с одним ФЭ на 1-м (I) или 11-м (II) крайнем кольце, 2 - комплекс ПХДД одновременно с двумя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы; a - молекула ПХДД, Ь и с - ФЭ 1 и ФЭ2, соответственно
1-я разновидность комплекса - комплекс, образующийся при взаимодействии молекул диоксинов с одной молекулой ФЭ на одном из крайних диокси-новых колец (рис. 3-1).
Для получения диаграмм зависимости энергии образования данных комплексов от значения углов §1, §2 их вращение задавалось с шагом в 10°.
Значения углов §ь §2, при которых отмечаются минимумы энергии, и соответствующие им значения энергии комплексообразования представлены в табл.1. Значения высот потенциальных барьеров позволили сделать вывод об энергетической устойчивости структур в данных точках и охарактеризовать данные точки как локальные минимумы.
Таблица 1
Экспериментальные и расчетные данные исследуемого ряда ПХДД
Молекула ПХДД Относительная биологическая активность* [14] Энергия комплексообразования ПХДД с ФЭ Екомп (ккал/моль)
комплекс ПХДД с одной молекулой ФЭ: комплекс ПХДД с двумя молекулами ФЭ с одной стороны относительно плоскости диокси-новой молекулы
на I-м кольце на II-м кольце
угол Е ^комп угол Е ^комп
углы 81-82,° Екомп
2,3,7,8-ТХДД 100 320 -3,76 320 -3,76 0-0 -33,36
1,2,3,7,8,9-ГХДД 22 340 -3,68 330 -3,19 0-0 -32,22
2,3,7,9-ТХДД 8 0 -1,83 350 -2,68 0-0 -30,82
2,3,7-ТриХДД 0,06 330 -1,32 340 -2,37 0-0 -33,19
Примечания: (*) - определяется через концентрацию, вызывающую 50%-е повышение уровня гидроксилаз ароматических углеводородов (AGG) от максимально возможного: чем эта концентрация ниже, тем активнее считается данная диоксиновая молекула; активность 2,3,7,8-ТХДДпринята за 100%.
Исследования геометрических и физических параметров образующихся комплексов в точках минимумов энергии дали следующие результаты. Двугранные углы в гидрофильной части молекулы ФЭ, т.е. в области комплексооб-разования, изменяются в среднем на 4-9°, за исключением углов C7-O10-P12=O13 и C7—O10—P12—O14, изменения которых составляют 120-130°, что, по-видимому, можно объяснить внутренним вращением связей P12=O13 и P12-O14 в фосфатной группе; в жирнокислотных "хвостах" эти изменения составляют 1-2°. Длины связей и расстояния между атомами не изменяются. Таким образом, конформа-ция фосфолипидной молекулы сохраняется.
Изменения зарядов на атомах ФЭ в области комплексообразования составляют в среднем 0,01-0,02е; на остальных атомах заряды не изменяются. Общий суммарный заряд молекулы ФЭ также остается без изменений
Тем не менее, происходит изменение электронного строения фосфоли-пидных молекул в области комплексообразования. При этом на атомах этано-ламина (N1, С5, С7, Н2-Н4) наблюдается существенное изменение электронной заселенности нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО), особенно заметное - на атомах N и С5; а на атомах фосфатной группы (Р12, О10, 013, 014, 015) отмечено значительное изменение электронной заселенности верхней занятой молекулярной орбитали (ВЗМО), особенно заметное - на атоме 013.
Одновременно с этим наблюдается изменение формы диоксиновых молекул (рис.4): если в свободном состоянии они являются жесткими практически плоскими молекулами (рис.4, А, С: углы ю1-ю4 составляют 177°-179°, т.е. угол между плоскостями крайних колец составляет 1°-2°), то в точках минимумов энергии они приобретают форму "бабочки" (рис.4, В): углы ю1-ю4 становятся равными 161°-171°, т.е. угол между плоскостями крайних диоксиновых колец составляет от 8° до 18°.
©1 = Сг -С3- О7-С8
©2 = Сз- О7- С8-С10
©3 = С13- -С9- О14-С5
©4 = С9- -О14- -С5-С6
Рис. 4 Формы диоксиновых молекул: А - в свободном состоянии; В - "бабочка" , в комплексах с ФЭ; С - торсионные углы, определяющие форму молекул; ось симметрии, относительно которой определяется форма диоксиновых молекул, проходит через атомы 07 и О 14
Изменение зарядов на атомах С того диоксинового кольца, с которым взаимодействует NH3-группа ФЭ, составляет 0,03-0,04е, а на некоторых атомах С другого диоксинового кольца - 0,01-0,02е.
Тем не менее, происходит изменение электронного строения диоксино-вых молекул. При этом на С-атомах того диоксинового кольца, с которым взаимодействует ^КН3-группа ФЭ, наблюдается существенное изменение электронной заселенности НСМО; а на некоторых С-атомах другого кольца отмечено значительное изменение электронной заселенности ВЗМО.
Анализ межатомных расстояний в точках минимумов энергии показал, что в этих точках полярная часть ФЭ вытягивается вдоль плоскости молекулы ПХДД (рис.5), т.е. КН3-группа взаимодействует с одним из крайних колец диоксина, в то время как фосфатная группа Р04 взаимодействует с другим крайним диоксиновым кольцом. В точках же высоких значений потенциального барьера фосфатная группа ФЭ Р04, наоборот, располагается на максимальном удалении от плоскости диоксиновых молекул (рис.5).
а
- -СП,
С?
в минимуме
■ У
V0 V*
сц ^
в точках барьера
к
Рис. 5 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с одной молекулой ФЭ на крайних кольцах в точках минимумов энергии и точках высоких потенциальных барьеров
Исходя из анализа межатомных расстояний и структур оптимизированных комплексов (рис.5), можно сделать вывод, что помимо этаноламинной группы ФЭ, в процессе комплексообразования диоксинов с фосфолипидом принимает активное участие и фосфатная группа. Этим и объясняется изменение электронной заселенности ВЗМО на атомах Р04-группы. Кроме того, по всей видимости, именно близкое расположение фосфатной группы ФЭ к диок-синовым кольцам в точках минимумов энергии способствует изменению формы диоксиновых молекул и перераспределению зарядов на атомах того диок-синового кольца, с которым фосфатная группа взаимодействует. Об этом также свидетельствует и тот факт, что на тех атомах, к которым фосфатная группа располагается ближе всего, отмечено более сильное изменение зарядов на атомах и электронной заселенности ВЗМО.
2-я разновидность комплекса "диоксин - фосфолипид" - это комплекс, образующийся при взаимодействии диоксинов одновременно с двумя фосфо-липидными молекулами на крайних диоксиновых кольцах, когда фосфолипиды располагаются с одной стороны относительно плоскости диоксиновых молекул
(рис.3-2). Для получения картины зависимости энергии образования данных комплексов от значения пары углов 51-82 их вращение задавалось с шагом в 30°.
Структуры комплексов с минимальной энергией наблюдаются при значении пары углов 81-82 = 0°-0°. Значения высот потенциальных барьеров позволили сделать выводы об энергетической устойчивости структур в этих точках и охарактеризовать их как точки локального минимума энергии.
Значения энергии комплексообразования в точках минимумах энергии приведены в табл.1, из которой видно, что энергия образования такой разновидности комплекса значительно повышается по сравнению с энергией образования 1-ой разновидности этого комплекса, когда диоксин взаимодействует с одной фосфолипидной молекулой.
Большая величина энергии комплексообразования ПХДД с ФЭ говорит об устойчивости образованных комплексов. Кроме того, это хорошо согласуется с тем экспериментальным фактом, что диоксины накапливаются прежде всего в жировых тканях и тканях, богатых липидами [11].
Исследования структурных и электронных параметров обнаруженной разновидности комплекса "диоксин - фосфолипид" дали следующие результаты.
Двугранные углы гидрофильной части обеих молекул ФЭ меняются в среднем на 2-12°, что не оказывает влияния на конформацию фосфолипидных молекул. Изменение зарядов на атомах ФЭ в области комплексообразования составляет 0,01-0,03е, за исключением атома 013, на котором заряд увеличивается на 0,06-0,08е. На остальных атомах заряд практически не изменяется. Общий суммарный заряд молекулы также остается неизменным.
Тем не менее, происходит изменение электронного строения фосфоли-пидных молекул в области комплексообразования. При этом на атомах этано-ламинной группы С5, Н2-Н4) наблюдается существенное изменение электронной заселенности НСМО, наиболее значительное - на атомах С5; а на атомах фосфатной группы (Р12, 010, 013, 014, 015) отмечено значительное изменение электронной заселенности ВЗМО, наиболее заметное - на атомах 013,
014.
Одновременно с этим отмечено изменение формы диоксиновых молекул: как и в комплексах ПХДД с одним ФЭ, они приобретают форму "бабочки" (см. рис.4, В, С): углы ю1-ю4 становятся равными 168°-172°. При этом изменения зарядов на атомах диоксинов составляют 0,01-0,02е. Общий суммарный заряд молекул ПХДД остается неизменным. Однако при этом происходит изменение электронного строения диоксиновых молекул: на атомах С12, С11, С8, С9 - наблюдается значительное изменение электронного строения как ВЗМО, так и НСМО; а на атомах 07, 014 - существенное изменение электронного строения ВЗМО.
Для объяснения такого поведения диоксиновых молекул при образовании комплексов с двумя ФЭ был проведен сравнительный анализ структуры оптимизированных комплексов ПХДД с ФЭ и межатомных расстояний в точках ми-
нимумов энергии и наивысших точках потенциальных барьеров. Результаты представлены на рис. 6-7 ^ и Ь - молекулы ФЭ1 и ФЭ2; 1 - структура комплекса, 2 и 3 - расположение полярной части молекул ФЭ1 и ФЭ2 относительно плоскости диоксиновой молекулы).
Рис. 6 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы в точках минимумов энергии
н *?
"--■¿г-н
0
^ V
СЦГ
V
.0 ЕТ--Н
Р
Рис. 7 Структура оптимизированных комплексов ПХДД с 2-мя ФЭ на крайних кольцах с одной стороны относительно плоскости диоксиновой молекулы в точках высоких значений потенциальных барьеров
Как видно из рисунков, атом Р12 фосфатной группы Р04 ФЭ располагается приблизительно на одинаковом удалении от плоскости диоксиновой молекулы в обеих энергетически крайних точках, в то время как атомы О13 и О14 фосфатной группы Р04 ФЭ в точках минимумов располагаются намного ближе к диоксиновым кольцам, чем в точках высоких значений потенциальных барьеров.
По-видимому, именно определенный вклад фосфатной группы в образование исследуемых комплексов оказывает влияние на изменение формы диок-синовых молекул, о чем также свидетельствует существенное изменение зарядов и электронного строения на всех атомах фосфатной группы Р04 ФЭ (в особенности на атоме 013) и именно тех атомах С диоксиновых колец, к которым фосфатная группа располагается ближе всего.
Выводы и заключение. Таким образом, из представленных данных можно сделать следующие выводы.
Образование комплексов ПХДД с ФЭ не приводит к каким-либо существенным изменениям структуры фосфолипидных молекул, однако при этом происходит изменение электронного строения молекул фосфолипидов в области комплексообразования. При этом на атомах этаноламинной группы наблюдается изменение электронной заселенности НСМО, а на атомах фосфатной группы наблюдается изменение электронной заселенности ВЗМО.
В то же время, в точках минимумов энергии происходят значительные изменения формы диоксиновых молекул. Одновременно с этим наблюдается изменение электронного строения молекул ПХДД. Наиболее значительные изменения отмечены на всех углеродных атомах диоксинового скелета, при этом на атомах того диоксинового кольца, с которым взаимодействует этаноламин-ная группа ФЭ, происходит изменение электронной заселенности НСМО, а на атомах другого кольца отмечено изменение электронной заселенности ВЗМО.
Анализ межатомных расстояний, электронного строения и структур оптимизированных комплексов в точках минимумов энергии показывает, что в процессе комплексообразования диоксинов с фосфолипидами активное участие принимает и фосфатная группа ФЭ, и именно ее близкое расположение к одному из диоксиновых колец способствует изменению формы диоксиновых молекул.
Поскольку общий заряд участвующих в комплексообразовании молекул ФЭ и ПХДД остается неизмененным, то изменение зарядов на атомах не связано с переносом заряда между молекулами, а объясняется внутренним перераспределением зарядов на атомах в пределах молекул в результате образования комплексов.
Также нельзя не отметить тот факт, что прослеживается схожий характер всех отмеченных изменений для комплексов ФЭ со всеми 4-мя диоксиновыми молекулами, что свидетельствует и о схожем механизме их взаимодействия с фосфолипидами.
Л'итература.
1. Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика. - М.: Мир, 1986.
2. Ивков В.Г.. Берестовский Г.Н. Динамическая структура липидного бислоя. - М., 1981. - 293 с.
3. Насибуллин Р.С., Зелеев М.Х., Спирихин Л.В., Хайретдинова Д.И (Косарева Д.И.) Исследование воздействия молекулы пиридина на клеточные фос-фолипиды //Новости ЯМР в письмах. - 1995. - № 1. - с. 120.
4. Насибуллин Р.С., Косарева Д.И., Спирихин Л.В. //Биополимеры и клетка. - 1998. - т. 14, № 5. - с. 15-17.
5. Насибуллин Р.С., Пономарева В. А., Спирихин Л.В. //Биомембраны. -
1992. - т. 9, № 3. - с. 308-311.
6. Насибуллин Р.С., Серебреник М.А. //Биополимеры и клетка. - 1997. - № 2. - с. 12-15.
7. Насибуллин Р.С., Спирихин Л.В., Пономарева В.А. //Биофизика. - 1991. - т. 36, вып. 4. - с. 594-598.
8. Насыров Х.М., Насибуллин Р.С., Бузыкаев Б.А. Спектроскопическое исследование взаимодействия молекулы пиразола с фосфолипидами //Фармакология и токсикология. - 1991. - № 3. - с.59-60.
9. Федоров Л. А. Диоксины как фундаментальный фактор техногенного загрязнения природы //Экологическая химия. - 1993. - № 3. - с. 169-187.
10. Федоров Л. А. Диоксины как экологическая опасность: ретроспектива и перспективы. - Москва: Наука, 1993. - 260 с.
11. Цырлов И.Б. Хлорированные диоксины: биологические и медицинские аспекты: Аналитический обзор. - М.: ГПНТБ СО АН СССР, 1993. - 187 с.
12. Boer F.B., Van Remoortere F.P., North P.P., Newman M.A. //Acta. Crystallogr. Sect. B: Struct. Crystallogr. Cryst. Chem. - 1972. - B28. - p. 1023-1029.
13. Dewar M.J.C. The molecular theory of organic chemistry. - N.Y.: McGraw-Hill. - 1969. - 381 p.
14. Poland A., Greenlee W.F., Kende A.S. Studies on the mechanism of action of the chlorinated dibenzo-p-dioxins and related compounds //Ann. N.Y. Acad.Sci. -1979. - vol. 320. - p. 214-230.
15. Silbergeld E.K., Gasiewicz T.A. Dioxins and the Ah receptor //Amer. J. Ind. Med. - 1989 - v. 16. - p. 455-474.
16. Whitlock J.P.J. Mechanistic aspects of dioxin action //Chem. Res. Toxicol.-
1993. - vol. 6, № 6. - p. 754-763.
